EP1214567B1 - Mikrosensor zur positionsmessung von fluessigkeiten in kapillaren - Google Patents

Mikrosensor zur positionsmessung von fluessigkeiten in kapillaren Download PDF

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EP1214567B1
EP1214567B1 EP00962200A EP00962200A EP1214567B1 EP 1214567 B1 EP1214567 B1 EP 1214567B1 EP 00962200 A EP00962200 A EP 00962200A EP 00962200 A EP00962200 A EP 00962200A EP 1214567 B1 EP1214567 B1 EP 1214567B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrodes
bubble
sub
sensor element
electrode
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00962200A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1214567A1 (de
Inventor
Thomas Lisec
Bernd Wagner
Hans Joachim Quenzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP1214567A1 publication Critical patent/EP1214567A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1214567B1 publication Critical patent/EP1214567B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/24—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid
    • G01F23/241—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid for discrete levels
    • G01F23/242—Mounting arrangements for electrodes

Definitions

  • the invention relates to a microsensor for measuring the position of liquids in capillaries, which is particularly well suited for use in automatic pipetting in laboratory medicine and in the pharmaceutical industry.
  • the dosing process consists of distributing defined quantities of samples and reagents from initial containers to microtiter plates with many individual reaction chambers (wells).
  • a conventional plastic microtiter plate contains, for example, 96 wells each having a volume of 500 ⁇ l in a grid of 9 mm.
  • Modern pipetting systems can dose between 1 and a few 100 ⁇ l of a liquid with an accuracy of a few percent using stepper motor-controlled syringe pumps with precision syringes.
  • eight separately controllable pipettes are arranged in parallel, so that a microtiter plate must be filled in several operations. This limits the throughput and influences the measurement result during kinetic tests.
  • samples and reagents are pipetted successively into the corresponding wells of the microtiter plate via a liquid column by means of a syringe pump.
  • the working fluid is usually separated from the sample or reagent by an air bubble.
  • sample volume delivered during a pipetting process results from the piston feed of the syringe pump.
  • sample volume is defined in the same way by the level of the sample liquid in the pipette before and after the dosing process.
  • Level sensors for monitoring liquids in reservoirs or tanks have been known for a long time.
  • sensors based on a float there are a variety of systems without moving parts. These are based e.g. on optical or electrical measuring methods.
  • a capacitive sensor consisting of two concentric cylinders immersed along the measuring axis in a dielectric medium.
  • the cylinders are divided into a number of discrete capacitors.
  • the capacity of each individual capacitor depends on whether there is air or the medium to be monitored between the electrodes. By comparing the capacities, the filling level of the medium in the container can be determined quasi-digitally with an accuracy corresponding to the number of measuring segments.
  • the capacitive measuring principle can also be used in the form of a planar sensor. This type of sensor must be calibrated for each fluid.
  • the level can be determined potentiometrically.
  • a rod-shaped resistor which dips vertically into the liquid and together with this forms the resistors of a bridge circuit serve.
  • the voltage drop across the resistor, tapped across the fluid, is proportional to the fluid level.
  • US 5146785 disclosed.
  • the probe is additionally divided into a series of individual resistances, whereby a stepped, quasi-digital output signal is formed.
  • Another electrical sensor principle is based on conductivity measurements. For this purpose, an AC voltage in the kHz range is applied between each two electrodes and the current between the electrode pairs is measured. An example of this is in US 5719556 disclosed.
  • the prior art electrical liquid level measuring devices are not suitable for measuring the position of liquids in capillaries. Their use is limited to level measurement, e.g. in tanks.
  • the invention has for its object to provide a device and method for operating the device for electrical position measurement of liquid levels in capillaries, especially in metering devices, which is inexpensive to produce and works reliably and accurately.
  • the object is solved by the features of claim 1.
  • the present invention also provides in the claims 10 to 16 also methods for operating the sensor.
  • the microsensor according to the invention for measuring the position of liquids in capillaries is based on the principle of conductivity measurements. However, only a change in the conductivity for the measuring principle is essential. The absolute height of the conductivity of the working fluid plays a minor role.
  • the capillary In the capillary is a gas bubble, which is enclosed on both sides of the working solution and can be moved inside the capillary over a sensor chip back and forth.
  • a gas bubble instead of the gas bubble, it is also possible to use a nonconducting liquid which is immiscible with the working solution.
  • only one bubble is spoken. It is essential that there is a significant difference in conductivity between working fluid and bladder contents. It is therefore also conceivable that the working fluid is not conductive and the bladder consists of a conductive liquid. Thus, there is at least one boundary between two different conductivities of the capillary filling in the region above the sensor element.
  • the sensor chip consists of a substrate - preferably of silicon, glass or plastic.
  • Microstructured, partially passivated metal electrodes preferably of platinum, iridium or gold, are applied thereon. Iridium is characterized by a particularly low polarization resistance in aqueous solution.
  • the electrodes consist of partial electrodes, which are interconnected with electrical connections.
  • the partial electrodes lying opposite in pairs preferably always have the same spacing and / or the spacings of the partial electrode pairs in the longitudinal direction of the sensor element are preferably constant over the entire length of the sensor element and / or the number of partial electrode pairs per electrode pair is preferably constant.
  • the partial electrodes of preferably two electrodes face each other in pairs, preferably with a constant spacing as partial electrode pairs.
  • the repetitive basic geometry (meander) therefore preferably consists of two electrodes, which in turn consist of partial electrode pairs.
  • the distance between the partial electrode pairs in the longitudinal direction, ie in the direction of the bubble movement to be measured, is, in a preferred manner, always the same and in a preferred embodiment is in the region of 100 ⁇ m.
  • the preferred are the electrical connections between the sub-electrodes of the electrodes coated with a passivating layer, whereas the sub-electrodes themselves represent the sensor-active areas of the sensor chip and therefore are directly on the surface, which comes into contact with the working fluid.
  • the sensor is so laterally attached to the capillary, which consists for example of glass or plastic, that the active areas of the electrodes, so the sub-electrodes, are located in the interior of the capillary.
  • the connections (bond pads) of the electrodes of the individual meanders lie outside the capillary.
  • the capillary wall is partially replaced by the sensor chip.
  • the impedance of the meander is affected inter alia by the wetted electrode area, i. the number of wetted partial electrode pairs, determined. With increasing wetted area it decreases. This effect can be exploited to detect the position of an air bubble or, in general, a conductivity boundary which completely or partially covers the meander, or in the case of a single conductivity boundary which is located above the meander.
  • the bladder is filled with gas and / or the length of the bladder in the region of twice the length of a pair of electrodes in the longitudinal direction and / or is the same working fluid on both sides of the bladder.
  • the position of the bubble can be determined at rest from the comparison of the resistance values of all meanders. Irrespective of the actual working fluid, all meanders wetted by the fluid have the same minimum resistance value. If the bubble is sufficiently large so that at least one meander is completely covered by it, a maximum resistance value results for this meander. The adjacent, only partially covered meanders have intermediate values of the resistance.
  • To determine the exact position of the liquid surface in the intermediate region of a meander is the Knowledge of the shape of the resistance curve (reference resistance curve) when sweeping a meander and the maximum and minimum value of the resistance of the respective meander necessary. By interpolation on the curve of known form and with known minimum or maximum value, each intermediate resistance value can then be assigned to a specific partial electrode pair of the corresponding meander, and thus the bubble position or conductivity boundary position can be determined precisely.
  • the traveled distance can be determined.
  • the wetting properties of the working fluid relative to the sensor element are such that no permanent liquid film is formed on the sensor element and the migration speed of the bubble is not too high, then characteristic abrupt changes in resistance (cracks) occur during the movement of the bubble over the partial electrode pairs of a meander.
  • the sensor element is always wetted exactly there by the working fluid, where it is covered by the working fluid level. Accordingly, the sensor chip surface wetting properties such that the limits of the liquid wetting of the sensor surface correspond to the liquid level. If all meanders are monitored in parallel, the total distance traveled during the bubble migration can be used to determine the distance traveled by the bubble and thus the volume of liquid moved.
  • the resistance between the pairs of meander electrodes is measured at rest. All meanders covered completely by the liquid in the capillary show a minimum value of the resistance. If one of the meanders is completely covered by the bubble, this shows a maximum value of the resistance. If the adjacent meanders are only partially covered by the bubble, intermediate values occur. If the dependence of the resistance on the number of liquid-covered partial electrode pairs (short-circuited partial electrodes) of a meander is known qualitatively (reference resistance curve) and the minimum or maximum value available, it is possible to conclude the position of the bubble front over the corresponding meander by interpolating the intermediate values. The moving liquid volume results again from the distance traveled by the bubble.
  • the maximum value of the resistance of a meander completely covered by the bubble is a constant, irrespective of the characteristics of the working solution or liquid. Since the minimum resistance of a completely liquid-covered meander can be redetermined at any time, there is the possibility of an in-situ calibration. This is understood to mean the calibration during operation. For this, however, preferably the same liquid should be located on both sides of the bladder. Again, there is an independence of the measurement method of the conductivity of the working solution, as far as it exceeds a minimum conductivity required for measurement.
  • the preferred embodiment is the division of the meander into not significantly more than 10 partial electrode pairs. If this number is substantially exceeded, it is increasingly difficult to distinguish between the conductivity jumps, in particular in the case of the application of the dynamic measuring method. This results in addition to the ability to detect the bubble position at exactly one meander, a major advantage of the periodic electrode structure.
  • the length of the bladder is two meander lengths. This ensures that there is always a meander completely covered by the bubble.
  • Errors such as a blockage of the capillary, are detected in both methods.
  • the resolution of the sensor is determined by the number of meanders per length of the sensor chip and the number of sub-electrode pairs per meander.
  • the distance between the partial electrode pairs in the longitudinal direction and the cross section of the capillary define the minimum volume of liquid whose delivery or receptacle can be detected.
  • the electrodes are preferably subjected to an alternating voltage having a frequency in the kilohertz range and / or an amplitude in the range of 100 millivolts.
  • an alternating voltage in the range of up to 100 millivolts is preferably applied, and the resulting current is measured as the output signal.
  • the sensor chip according to the invention is distinguished by its particularly cost-effective production. It also allows easy and accurate position measurement of the Liquid surface.
  • the sensor according to the invention allows an electrical liquid level measurement in capillaries, as it is particularly advantageous in the pipetting of liquids used.
  • the position measurement of the conductivity limits can be used to measure differential pressures, similar to the classical pressure gauge in which the pressure difference causes a level difference between the two arms of a U-shaped tube. The capillary would then correspond to the tube.
  • the sensor of the invention in a fluidic system can detect the movement of various fluids that are processed and / or analyzed in the system.
  • Fig. 1 is a schematic cross section through a capillary (1), for example made of glass, with laterally attached sensor chip (2), with microstructured metal electrodes (3), as it is preferably formed in a pipette with level sensor shown.
  • the sensor chip preferably consists of a silicon substrate, on which platinum electrodes are applied.
  • Fig. 2 is a section of an inventive sensor with a possible electrode geometry shown in plan view.
  • the active, exposed regions (5) of the electrodes are located inside the capillary (1) and are distributed over the entire length of the chip.
  • the electrode structure consists of a constantly repeating arrangement.
  • Each electrode consists of several sensor-active sub-electrodes (5), whereby always two electrodes form a pair of electrodes (meander) (8).
  • the sub-electrodes of the electrode pairs face each other as partial electrode pairs (11).
  • Each electrode has its own electrical connection option (bond pad) (4).
  • Successive meanders are arranged so that the distance between the sub-electrode pairs (11) over the entire chip length is always constant.
  • Each meander consists of two metal electrodes with 8 opposing partial electrode pairs.
  • the individual sub-electrodes on each side of a meander are connected in series.
  • the electrical connection between the individual sub-electrodes on one side of a meander has an ohmic resistance which should not be too low.
  • the resistance is increased by the extension of the compound in serpentine shape (7).
  • the distance between adjacent partial electrode pairs (11) in the longitudinal direction is always the same.
  • a partial electrode spacing in the longitudinal direction of a few 10 ⁇ m is preferred.
  • the smaller the distance of the partial electrode pairs in the longitudinal direction the higher the resolution of the sensor, ie the smaller amounts of liquid can be metered.
  • the exposed, active electrode regions may come into contact with a liquid within the capillary.
  • the leads to the outside of the capillary bonding pads are covered by a passivation layer (6).
  • FIG. 3 the movement of an air bubble (9) over a meandering structure as it successively covers and releases the individual partial electrode pairs (11) of the meander is shown.
  • a conductive liquid (10) encloses an air bubble that moves upward (indicated by arrow) from both sides.
  • the current between the opposing electrodes of the meander decreases. It reaches a minimum when the bubble completely covers the meander ( Fig. 3b ) and gradually rises again, while the bubble wanders over the meander ( Fig. 3c ).
  • the current reaches its initial value after the rear face (13) of the bubble has crossed the uppermost partial electrode pair of the meander.
  • Fig. 4 the curve of the amplified output signal (current) of a meander with 8 partial electrode pairs over time is plotted.
  • the assignment to the positions of the bubble in Fig. 3a to Fig. 3c is made at the corresponding points of the curve.
  • the wetted electrode surface changes abruptly. The consequence is an equally abrupt change (jumps) (14) of the current curve. How pronounced these jumps are depends on the wetting properties of the sensor surface between the electrodes. If it is hydrophobic, the liquid film underneath the bubble ruptures immediately and the electrical contact between the opposing sub-electrodes is abruptly interrupted. It creates a peak. If the chip surface is hydrophilic, a thin film of liquid partially remains below the bubble.
  • the peak is washed out, it creates a plateau.
  • the liquid film tears open only in a delayed manner, in particular at the front of the bladder. This smoothes the output signal. There are also plateaus.
  • the indeterminate tear-off behavior of the liquid film below the bladder is also responsible for the complex shape of the curve maximum with additional small peaks. At high migration velocities of the bubble, hydrophilic surface and low measuring frequency, the jumps can be detected increasingly poorer. These are then completely blurred in the course of the curve.
  • the waveform is independent of the direction of movement of the bubble. Both the curve resulting from the upward movement and the curve resulting from the downward movement can be reproduced as often as desired with the same air bubble.
  • Fig. 5 For example, the output signals labeled (15), (16), and (17) of three adjacent meanders are plotted across the meanders over time, with one bubble traveling at a constant velocity. The measurement was carried out in parallel, ie the output signals of the three meanders were recorded simultaneously.
  • the illustration illustrates the advantage of measuring the position of the bubble by detecting Jumps in the current flow. For example, the maximum value of the absolute value of the output signal, with complete liquid coverage, must not be absolutely identical to the meander. Despite different absolute current values, for example between curves 15 and 16, the bubble position can be determined exactly by counting the jumps.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Mikrosensor zur Positionsmessung von Flüssigkeiten in Kapillaren, der sich besonders gut zur Anwendung bei Pipettierautomaten in der Labormedizin sowie in der Pharmaindustrie eignet.
  • Bei der Untersuchung von Krankheitsbildern oder Routine-Gesundheitskontrollen stützt sich die moderne Medizin zunehmend auf die quantitative Bestimmung relevanter Substanzen in Körperflüssigkeiten. Die Anzahl der zu überwachenden Substanzen erhöht sich ständig, ebenso wie die Häufigkeit der Tests. Höhere Analysezahlen bei gleichzeitig abnehmenden Kosten erfordern vor allem eine Senkung des Bedarfs an Reagenzien, deren Preis oftmals erheblich ist. Tendenziell ist somit das präzise Dosieren möglichst geringer Flüssigkeitsmengen zentrales Entwicklungsziel. Angestrebt wird ein Volumenbereich von 0.1 bis 20 µl.
  • Der Dosiervorgang besteht darin, daß definierte Mengen von Proben und Reagenzien aus Ausgangsbehältern auf Mikrotiterplatten mit vielen einzelnen Reaktionskammern (Wells) verteilt werden müssen. Eine herkömmliche Mikrotiterplatte aus Kunststoff enthält z.B. 96 Wells mit jeweils 500µl Volumen in einem Raster von 9mm. Moderne Pipetiersysteme können mittels schrittmotorgesteuerter Spritzenpumpen mit Präzisions-Kolbenspritzen zwischen 1 und einigen 100 µl einer Flüssigkeit mit einer Genauigkeit von einigen Prozent dosieren. Zumeist sind acht getrennt steuerbare Pipetten parallel angeordnet, so daß eine Mikrotiterplatte in mehreren Arbeitsgängen befüllt werden muß. Dadurch wird der Durchsatz begrenzt und bei kinetischen Tests das Meßergebnis beeinflußt. Derzeit existieren Geräte die 96 Pipetten enthalten. Diese sind jedoch nicht getrennt ansteuerbar, d.h. bei jedem Dosiervorgang wird von allen Pipetten die gleiche Menge abgegeben. Bei vielen Anwendungen wäre ein separates Betätigen der Pipetten günstiger. Um in einem Array getrennt ansteuerbarer Pipetten Flüssigkeitsmengen von 0,1 bis 20 µl mit hoher Genauigkeit dosieren zu können, muß der Dosiervorgang an jeder einzelnen Pipette aktiv überwacht werden.
  • Im Verlauf einer quantitativen Analyse werde Proben und Reagenzien mittels einer Spritzenpumpe über eine Flüssigkeitssäule nacheinander in die entsprechenden Wells der Mikrotierplatte pipettiert. Zur Vermeidung einer Kontamination wird die Arbeitsflüssigkeit üblicherweise durch eine Luftblase von der Probe bzw. dem Reagenz getrennt. Nachdem es in den Wells zur Reaktion gekommen ist, wird die Konzentration eines der Reaktionsprodukte photometrisch bestimmt und daraus die Konzentration der gesuchten Probenkomponente berechnet.
  • Das während eines Pipetiervorganges abgegebene Probenvolumen ergibt sich aus dem Kolbenvorschub der Spritzenpumpe. Das Probenvolumen ist jedoch in gleicher Weise durch den Füllstand der Probenflüssigkeit in der Pipette vor und nach dem Dosiervorgang definiert.
    • Stand der Technik
  • Füllstandssensoren zur Überwachung von Flüssigkeiten in Reservoirs oder Tanks sind bereits seit langem bekannt. Neben Sensoren, basierend auf einem Schwimmkörper, existieren eine Vielzahl von Systemen ohne bewegliche Teile. Diese basieren z.B. auf optischen oder elektrischen Meßverfahren.
  • In US 5138880 wird ein kapazitiver Sensor, bestehend aus zwei konzentrischen Zylindern, die entlang der Meßachse in ein dielektrisches Medium eintauchen, offenbart. Die Zylinder sind in eine Anzahl diskreter Kondensatoren unterteilt. Die Kapazität jedes einzelnen Kondensators hängt davon ab, ob sich Luft oder das zu überwachende Medium zwischen den Elektroden befindet. Durch Vergleich der Kapazitäten läßt sich die Füllhöhe des Mediums im Behälter quasidigital mit einer Genauigkeit entsprechend der Anzahl der Meßsegmente bestimmen. Das kapazitive Meßprinzip kann auch in Form eines planaren Sensors eingesetzt werden. Diese Art von Sensoren muß für jede Flüssigkeit kalibriert werden.
  • In leitenden Flüssigkeiten kann der Füllstand potentiometrisch bestimmt werden. Als Meßsonde kann ein stabförmiger Widerstand, der senkrecht in die Flüssigkeit eintaucht und zusammen mit dieser die Widerstände einer Brückenschaltung bildet, dienen. Der Spannungsabfall am Widerstand, abgegriffen über die Flüssigkeit, ist proportional zum Flüssigkeitspegel. Ein Beispiel hierfür ist in US 5146785 offenbart. Hier ist die Meßsonde zusätzlich in eine Reihe von Einzelwiderständen unterteilt, wodurch ein stufenförmiges, quasidigitales Ausgangssignal entsteht.
  • Eine weiteres elektrisches Sensorprinzip basiert auf Leitfähigkeitsmessungen. Dazu wird zwischen jeweils zwei Elektroden eine Wechselspannung im kHz-Bereich angelegt und der Strom zwischen den Elektrodenpaaren gemessen. Ein Beispiel hierfür ist in US 5719556 offenbart.
  • Die elektrischen Flüssigkeitsstandmeßvorrichtungen nach dem Stand der Technik eignen sich nicht für die Messung der Position von Flüssigkeiten in Kapillaren. Ihr Einsatz beschränkt sich auf die Füllstandsmessung z.B. in Tanks.
    • Gelöste Aufgabe
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zur elektrischen Positionsmessung von Flüssigkeitsständen in Kapillaren, insbesondere in Dosiervorrichtungen, anzugeben, welche günstig zu produzieren ist sowie zuverlässig und präzise arbeitet.
    • Beschreibung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus in den Ansprüchen 10 bis 16 auch Verfahren zum Betreiben des Sensors zur Verfügung.
  • Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Der erfindungsgemäße Mikrosensor zur Positionsmessung von Flüssigkeiten in Kapillaren beruht auf dem Prinzip von Leitfähigkeitsmessungen. Dabei ist jedoch nur eine Änderung der Leitfähigkeit für das Messprinzip wesentlich. Die Absoluthöhe der Leitfähigkeit der Arbeitsflüssigkeit spielt eine untergeordnete Rolle.
  • In der Kapillare befindet sich eine Gasblase, die auf beiden Seiten von der Arbeitslösung umschlossen ist und innerhalb der Kapillare über einem Sensorchip hin- und her bewegt werden kann. Anstelle der Gasblase kann auch eine nichtleitende Flüssigkeit verwendet werden, die mit der Arbeitslösung nicht mischbar ist. Im Folgenden wird, ohne Einschränkung der Allgemeinheit, nur von einer Blase gesprochen. Wesentlich ist, dass zwischen Arbeitsflüssigkeit und Blaseninhalt ein signifikanter Leitfähigkeitsunterschied besteht. Vorstellbar ist daher auch, dass die Arbeitsflüssigkeit nicht leitend ist und die Blase aus einer leitfähigen Flüssigkeit besteht. Es befindet sich also mindestens eine Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Leitfähigkeiten der Kapillarenfüllung im Bereich über dem Sensorelement.
  • Der Sensorchip besteht aus einem Substrat - bevorzugt aus Silizium, Glas oder Kunststoff.
  • Darauf sind mikrostrukturierte, teilpassivierte Metallelekroden, bevorzugt aus Platin, Iridium oder Gold aufgebracht. Iridium zeichnet sich durch einen besonders geringen Polarisationswiderstand in wässriger Lösung aus. Die Elektroden bestehen aus Teilelektroden, welche untereinander mit elektrischen Verbindungen vernetzt sind. Die sich paarweise gegenüberliegenden Teilelektroden weisen bevorzugt immer den gleichen Abstand auf und/oder die Abstände der Teilelektrodenpaare in Längsrichtung des Sensorelements sind über die gesamte Länge des Sensorelements bevorzugt konstant und/oder die Anzahl der Teilelektrodenpaare pro Elektrodenpaar ist bevorzugt konstant. Die Teilelektroden von bevorzugt zwei Elektroden stehen sich paarweise bevorzugt mit einem konstanten Abstand als Teilelektrodenpaare gegenüber. Die sich wiederholende Grundgeometrie (Mäander) besteht also aus bevorzugt zwei Elektroden, welche wiederum aus Teilelektrodenpaaren bestehen. Diese Grundgeometrie wiederholt sich periodisch über die gesamte Sensorchiplänge. Der Abstand zwischen den Teilelektrodenpaaren in Längsrichtung, d.h. in Richtung der zu messenden Blasenbewegung, ist, in bevorzugter Weise, stets derselbe und liegt bei einer bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 100 µm. Dies gilt auch bei benachbarten Teilelektrodenpaaren, welche zu benachbarten Mäandern gehören. Dabei sind bevorzugt die elektrischen Verbindungen zwischen den Teilelektroden der Elektroden mit einer passivierenden Schicht überzogen, wogegen die Teilelektroden selbst die sensoraktiven Bereiche des Sensorchips darstellen und sich daher direkt an der Oberfläche, welche mit der Arbeitsflüssigkeit in Berührung kommt, befinden. Der Sensor wird so seitlich an der Kapillare, welche z.B. aus Glas oder Kunststoff besteht, angebracht, dass sich die aktiven Bereiche der Elektroden, also die Teilelektroden, im Innenraum der Kapillare befinden. Die Anschlüsse (Bondpads) der Elektroden der einzelnen Mäander liegen dagegen außerhalb der Kapillare. Hierzu wird die Kapillarenwand partiell durch den Sensorchip ersetzt.
  • Befindet sich eine leitfähige Flüssigkeit in der Kapillare und wird eine Spannung angelegt, so fließt ein Strom zwischen den gegenüberliegenden Teilelektroden eines Mäanders. Die Impedanz des Mäanders wird unter anderem von der benetzten Elektrodenfläche, d.h. der Anzahl der benetzten Teilelektrodenpaare, bestimmt. Mit zunehmender benetzter Fläche nimmt sie ab. Dieser Effekt kann zur Detektion der Position einer Luftblase oder allgemein einer Leitfähigkeitsgrenze, die den Mäander ganz oder teilweise überdeckt, bzw. im Falle einer einzelnen Leitfähigkeitsgrenze, die sich über dem Mäander befindet, ausgenutzt werden.
  • Im Folgenden wird zur Beschreibung der Funktionsweise des Sensors ohne Einschränkung der Allgemeinheit von einer Blase gesprochen. Die Aussagen gelten jedoch auch für das Vorhandensein einer einzigen Leitfähigkeitsgrenze. Es wird dann nicht eine Blasenposition bestimmt sondern die Lage der Leitfähigkeitsgrenze zwischen zwei Teilelektrodenpaaren eines Mäanders oder die Lage der Leitfähigkeitsgrenze zwischen zwei Mäandern. Eine Blase stellt einen Spezialfall dar, bei dem zwei Leitfähigkeitsgrenzen innerhalb der Kapillarenfüllung liegen. Bei einer bevorzugten Anordnung mit einem erfinderischen Sensorelement zur Vermessung einer Kapillarenfüllung ist die Blase gasgefüllt und/oder ist die Länge der Blase im Bereich der doppelten Ausdehnung eines Elektrodenpaares in Längsrichtung und/oder handelt es sich auf beiden Seiten der Blase um dieselbe Arbeitsflüssigkeit.
  • Die Position der Blase lässt sich im Ruhezustand aus dem Vergleich der Widerstandswerte aller Mäander ermitteln. Unabhängig von der konkreten Arbeitsflüssigkeit zeigen alle von der Flüssigkeit benetzten Mäander den gleichen minimalen Widerstandswert, Ist die Blase ausreichend groß, so dass mindestens ein Mäander vollständig von ihr überdeckt wird, ergibt sich für diesen Mäander ein maximaler Widerstandswert. Die angrenzenden, nur teilweise bedeckten Mäander weisen Zwischenwerte des Widerstandes auf. Zur Bestimmung der genauen Position der Flüssigkeitsoberfläche im Zwischenbereich eines Mäanders ist die Kenntnis der Form des Widerstandsverlaufes (Referenzwiderstandskurve) beim Überstreichen eines Mäanders und des Maximal- und Minimalwertes des Widerstandes des betreffenden Mäanders notwendig. Durch Interpolation auf die Kurve bekannter Form und mit bekanntem Minimal- bzw. Maximalwert kann dann jeder Zwischenwiderstandswert einem bestimmten Teilelektrodenpaar des entsprechenden Mäanders zugeordnet und somit die Blasenposition oder Leitfähigkeitsgrenzenposition genau bestimmt werden.
  • Aus der detektierten Position der Blase oder der Leitfähigkeitsgrenze vor und nach einer Bewegung derselben, kann die zurückgelegte Wegstrecke ermittelt werden.
  • Sind die Benetzungseigenschaften der Arbeitsflüssigkeit gegenüber dem Sensorelement so, dass sich kein dauerhafter Flüssigkeitsfilm auf dem Sensorelement bildet und ist die Wanderungsgeschwindigkeit der Blase nicht zu hoch, dann treten während der Bewegung der Blase über die Teilelektrodenpaare eines Mäanders hinweg charakteristische abrupte Wderstandsänderungen (Sprünge) auf. Im Falle einer wässrigen Lösung bedeutet dies eine hydrophobe Oberfläche des Sensorelements, wobei die Lösung jedoch nicht so stark abgestoßen werden darf, dass sich keine Benetzung, in den Bereichen des Sensorelements, welche von der Arbeitsflüssigkeit überdeckt sind, ausbilden kann. Idealer Weise wird das Sensorelement immer exakt dort von der Arbeitsflüssigkeit benetzt, wo es vom Arbeitsflüssigkeitsstand überdeckt ist. Entsprechend weist die Sensorchipoberfläche Benetzungseigenschaften derart auf, dass die Grenzen der Flüssigkeitsbenetzung der Sensoroberfläche dem Flüssigkeitsstand entsprechen. Werden alle Mäander parallel überwacht, kann aus der Gesamtzahl der Sprünge während der Blasenwanderung die von der Blase zurückgelegte Wegstrecke und damit das bewegte Flüssigkeitsvolumen bestimmt werden.
  • Aus dem Verhalten der Impedanz des Mäanders lassen sich zwei mögliche Verfahren zur Detektion der Blasenposition ableiten:
    • Bei der dynamischen Methode (Inkrementalmessung) wird der Widerstand zwischen den Elektrodenpaaren aller Mäander des Füllstandsensors parallel mit vielen Messwerten pro Zeit ermittelt (hohe Samplingrate). Dadurch kann die Anzahl der während der Blasenbewegung auftretenden Sprünge gezählt werden. Da der Abstand in Längsrichtung zwischen den Teilelektrodenpaaren bekannt ist, lässt sich so die von der Blase in der Kapillare zurückgelegte Weglänge und daraus, zusammen mit dem Kapillarenquerschnitt, das bewegte Flüssigkeitsvolumen ermitteln. Dieses Messverfahren hat quasidigitalen Charakter. Der Widerstandsverlauf wird qualitativ bewertet und die absolute Höhe des Widerstandes wird nicht zur Auswertung herangezogen. Die Leitfähigkeit der Arbeitsflüssigkeit, die von einer Vielzahl von Faktoren, z.B. lonenkonzentration und - beweglichkeit oder Temperatur beeinflußt wird, spielt für das Meßergebnis eine untergeordnete Rolle. Die Leitfähigkeit muß lediglich ausreichend hoch sein damit sich die Sprünge noch detektieren lassen.
  • Bei der statischen Methode (Absolutmessung) wird der Widerstand zwischen den Elektrodenpaaren der Mäander im Ruhezustand gemessen. Alle vollständig von der in der Kapillare befindlichen Flüssigkeit bedeckten Mäander zeigen einen Minimalwert des Widerstandes. Wird einer der Mäander vollständig von der Blase überdeckt, zeigt dieser einen Maximalwert des Widerstandes. Werden die angrenzenden Mäander nur teilweise von der Blase überdeckt, treten Zwischenwerte auf. Ist die Abhängigkeit des Widerstandes von der Anzahl der flüssigkeitsüberdeckten Teilelektrodenpaare (kurzgeschlossene Teilelektroden) eines Mäanders qualitativ bekannt (Referenzwiderstandskurve) und der Minimal- bzw. Maximalwert verfügbar, kann durch Interpolation der Zwischenwerte auf die Position der Blasenfront über dem entsprechenden Mäander geschlossen werden. Das bewegte Flüssigkeitsvolumen ergibt sich wieder aus dem zurückgelegten Weg der Blase. Reißt der Flüssigkeitsfilm unterhalb der Blase sauber auf, so daß alle Teilelektrodenpaare die von der Blase bedeckt werden geöffnet werden, ist der Maximalwert des Widerstandes eines vollständig von der Luftblase überdeckten Mäanders eine konstante Größe, unabhängig von den Eigenschaften der Arbeitslösung bzw. -flüssigkeit. Da der Minimalwiderstand eines vollständig flüssigkeitsbedeckten Mäanders jederzeit neu bestimmt werden kann, ergibt sich die Möglichkeit einer in-situ-Kalibrierung. Darunter wird die Kalibrierung während des Betriebes verstanden. Dafür sollte sich jedoch bevorzugt dieselbe Flüssigkeit auf beiden Seiten der Blase befinden. Auch hier ergibt sich eine Unabhängigkeit des Meßverfahrens von der Leitfähigkeit der Arbeitslösung, soweit diese eine zur Messung notwendige Mindestleitfähigkeit überschreitet.
  • Ein wichtiger Vorteil der statischen im Vergleich zur dynamischen Meßmethode besteht darin, daß die Blasenposition sowohl vor als auch nach dem Dosiervorgang exakt bestimmt wird. Es kann daher mit hohen Wandergeschwindigkeiten der Blase gearbeitet werden, da das Auftreten von Sprüngen für die Messung unerheblich ist. Die Wandergeschwindigkeit der Blase ist bei der dynamischen Messmethode durch die Benetzungseigenschaften der Arbeitsflüssigkeit begrenzt.
  • Bevorzugte Ausführungsform ist die Aufteilung der Mäander in nicht wesentlich mehr als 10 Teilelektrodenpaare. Wird diese Anzahl wesentlich überschritten, so lassen sich, insbesondere im Falle der Anwendung des dynamischen Messverfahrens, die Leitfähigkeitssprünge zunehmend schwieriger voneinander unterscheiden. Daraus resultiert, neben der Möglichkeit die Blasenposition bei genau einem Mäander zu detektieren, ein Hauptvorteil der periodischen Elektrodenstruktur.
  • Für die Größe der Blase gilt, insbesondere für das statische Messverfahren, dass diese mindestens einen Mäander vollständig überdecken können sollte. Bevorzugt beträgt die Länge der Blase zwei Mäanderlängen. Dadurch wird gewährleistet, dass stets ein vollständig von der Blase überdeckter Mäander existiert.
  • Fehler, wie z.B. eine Verstopfung der Kapillare, werden bei beiden Verfahren erkannt.
  • Die Auflösung des Sensors wird von der Anzahl der Mäander pro Länge des Sensorchips und der Anzahl der Teilelektrodenpaare pro Mäander bestimmt. Der Abstand zwischen den Teilelektrodenpaaren in Längsrichtung und der Querschnitt der Kapillare definieren das minimale Flüssigkeitsvolumen, dessen Abgabe oder Aufnahme delektiert werden kann.
  • Bei Gleichstromspeisung der Mäander kann es in der Arbeitsflüssigkeit zu unerwünschten elektrochemischen Effekten an den Elektroden kommen. Deshalb werden die Elektroden bevorzugt mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die eine Frequenz im Kilohertz-Bereich und/oder eine Amplitude im Bereich von 100 Millivolt aufweist. Für die Leitfähigkeitsmessung wird bevorzugt eine Wechselspannung im Bereich bis zu 100 Millivolt angelegt und als Ausgangssignal der resultierende Strom gemessen.
  • Die erfindungsgemäße Sensorchip zeichnet sich durch seine besonders kostengünstige Herstellung aus. Außerdem ermöglicht es eine einfache und genaue Positionsmessung der Flüssigkeitsoberfläche. Der erfindungsgemäße Sensor ermöglicht eine elektrische Flüssigkeitsstandsmessung in Kapillaren, wie sie besonders vorteilhaft bei der Pipettierung von Flüssigkeiten zum Einsatz kommt. Darüber hinaus kann die Positionsmessung der Leitfähigkeitsgrenzen zur Messung von Differenzdrücken verwendet werden, ähnlich dem klassischen Manometer, in dem die Druckdifferenz einen Niveauunterschied zwischen den beiden Armen eines U-förmigen Röhrchens verursacht. Der Kapillare würde dann dem Röhrchen entsprechen. Allgemein kann der erfindungsgemäße Sensor in einem fluidischen System die Bewegung verschiedener Flüssigkeiten detektieren, die in dem System verarbeitet und/oder analysiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
    • Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Kapillare (1), mit seitlich angebrachtem Sensorchip (2) mit mikrostrukturierten Metallelektroden (3).
    • Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer möglichen Elektrodengeometrie in der Draufsicht.
    • Fig. 3 zeigt, wie die Bewegung einer Luftblase (9) über eine Mäanderstruktur (8) sukzessive die Teilelektrodenpaare (11) des Mäanders bedeckt und wieder freigibt.
    • Fig.4 zeigt einen typischen Stromverlauf bei Speisung eines Mäanders mit einer Wechselspannung, wie er aus der Blasenbewegung in Fig. 3 folgt.
    • Fig.5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Stromkurven dreier benachbarter Mäander, wie er sich beim darüber hinweg Bewegen einer Blase über die drei Mäander ergibt.
  • In Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Kapillare (1), z.B. aus Glas, mit seitlich angebrachtem Sensorchip (2), mit mikrostrukturierten Metallelektroden (3), wie er bevorzugt bei einer Pipette mit Füllstandssensor ausgebildet ist, gezeigt. Der Sensorchip besteht bevorzugt aus einem Siliziumsubstrat worauf Platinelektroden aufgebracht sind.
  • In Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßes Sensors mit einer möglichen Elektrodengeometrie in der Draufsicht dargestellt. Die aktiven, freiliegenden Bereiche (5) der Elektroden befinden sich innerhalb der Kapillare (1) und sind über die gesamte Länge des Chips verteilt. Die Elektrodenstruktur besteht dabei aus einer sich ständig wiederholenden Anordnung. Jede Elektrode besteht aus mehreren sensoraktiven Teilelektroden (5), wobei immer zwei Elektroden ein Elektrodenpaar (Mäander) (8) bilden. Die Teilelektroden der Elektrodenpaare stehen sich als Teilelektrodenpaare (11) gegenüber. Jede Elektrode hat dabei eine eigene elektrische Anschlußmöglichkeit (Bondpad) (4). Aufeinanderfolgende Mäander sind so angeordnet, daß der Abstand zwischen den Teilelektrodenpaaren (11) über die gesamte Chiplänge stets konstant ist. Jeder Mäander besteht aus zwei Metallelektroden mit 8 einander gegenüberliegenden Teilelektrodenpaaren. Die einzelnen Teilelektroden auf jeder Seite eines Mäanders sind in Reihe geschaltet. Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Teilelektroden auf einer Seite eines Mäanders hat dabei einen ohmschen Widerstand welcher nicht zu gering sein sollte. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Widerstand durch die Verlängerung der Verbindung in Schlangenlinienform (7) erhöht. Der Abstand zwischen benachbarten Teilelektrodenpaaren (11) in Längsrichtung ist stets derselbe. Bevorzugt ist ein Teilelektrodenabstand in Längsrichtung von einigen 10 µm. Je geringer der Abstand der Teilelektrodenpaare in Längsrichtung, desto höher ist die Auflösung des Sensors, d.h. desto kleinere Flüssigkeitsmengen können dosiert werden. Die freiliegenden, aktiven Elektrodenbereiche können mit einer Flüssigkeit innerhalb der Kapillare in Kontakt kommen. Die Ableitungen zu den außerhalb der Kapillare liegenden Bondpads sind von einer Passivierungsschicht (6) bedeckt.
  • In Fig. 3 wird die Bewegung einer Luftblase (9) über eine Mäanderstruktur, wie sie sukzessive die einzelnen Teilelektrodenpaare (11) des Mäanders bedeckt und wieder freigibt, dargestellt. Eine leitfähige Flüssigkeit (10) umschließt eine Luftblase, die sich aufwärts bewegt (durch Pfeil angedeutet), von beiden Seiten. Sobald die Vorderfront (12) der Blase das unterste Teilelektrodenpaar freilegt (Fig.3a), sinkt der Strom zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden des Mäanders ab. Er erreicht ein Minimum, wenn die Blase den Mäander vollständig überdeckt (Fig. 3b) und steigt nach und nach wieder an, während die Blase über den Mäander hinweg wandert (Fig. 3c). Der Strom erreicht seinen Ausgangswert nachdem die Hinterfront (13) der Blase das oberste Teilelektrodenpaar des Mäanders überschritten hat.
  • In Fig. 4 ist der Verlauf des verstärkten Ausgangssignals (Strom) eines Mäanders mit 8 Teilelektrodenpaaren über der Zeit (time) aufgetragen. Die Zuordnung zu den Positionen der Blase in Fig. 3a bis Fig. 3c ist an den entsprechenden Stellen der Kurve vorgenommen. Jedes mal, wenn die Blasenfront ein weiteres Teilelektrodenpaar erreicht hat , ändert sich die benetzte Elektrodenfläche sprunghaft. Die Folge ist eine ebenso sprunghafte Änderung (Sprünge) (14) der Stromkurve. Wie ausgeprägt diese Sprünge sind hängt von den Benetzungseigenschaften der Sensoroberfläche zwischen den Elektroden ab. Ist sie hydrophob, reißt der Flüssigkeitsfilm unterhalb der Blase sofort auf und der elektrische Kontakt zwischen den gegenüberliegenden Teilelektroden wird abrupt unterbrochen. Es entsteht ein Peak. Ist die Chipoberfläche hydrophil, so bleibt unterhalb der Blase partiell ein dünner Flüssigkeitsfilm bestehen. Der Peak wird verwaschen, es entsteht ein Plateau. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Blase reißt der Flüssigkeitsfilm insbesondere an der Vorderfront der Blase nur verzögert auf. Dadurch wird das Ausgangssignal geglättet. Es entstehen ebenfalls Plateaus. Das unbestimmte Abreißverhalten des Flüssigkeitsfilms unterhalb der Blase ist zudem für die komplexe Form des Kurvenmaximums mit zusätzlichen kleinen Peaks verantwortlich. Bei hohen Wandergeschwindigkeiten der Blase, hydrophiler Oberfläche und geringer Meßfrequenz lassen sich die Sprünge zunehmend schlechter detektieren. Diese sind dann im Kurvenverlauf vollständig verwischt.
  • Die Signalform ist von der Bewegungsrichtung der Blase unabhängig. Sowohl die aus der Aufwärtsbewegung resultierende Kurve, als auch die aus der Abwärtsbewegung resultierende Kurve können, bei identischer Luftblase, beliebig oft reproduziert werden.
  • In Fig. 5 sind die Ausgangssignale, bezeichnet mit (15), (16) und (17), von drei benachbarten Mäandern bei Bewegung einer Blase, mit konstanter Geschwindigkeit, über die Mäander hinweg über der Zeit aufgetragen. Die Messung erfolgte dabei parallel, d.h. die Ausgangssignale der drei Mäander wurden gleichzeitig aufgezeichnet. Die Darstellung verdeutlicht den Vorteil der Positionsmessung der Blase durch das Detektieren von Sprüngen des Stromverlaufes. So muß zum Beispiel der Maximalwert des Absolutwertes des Ausgangssignales, bei vollständiger Flüssigkeitsbedeckung, der Mäander nicht absolut identisch sein. Trotz unterschiedlicher absoluter Stromwerte z.B. zwischen den Kurven 15 und 16 kann die Blasenposition durch Abzählen der Sprünge exakt bestimmt werden.

Claims (16)

  1. Sensorelement zur elektrischen Positionsmessung von Flüssigkeitsständen mit einem Substrat (2) und mehreren einzeln kontakfiierbaren, elektrisch nicht miteinander verbundenen, auf das Substrat aufgebrachten Elektroden (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden über die Sensorlänge sich periodisch wiederholende Elektrodenpaare (8) bilden und aus mit elektrischen Verbindungen (7) vernetzten sensoraktiven Teilelektroden (5) bestehen, wobei sich die Teilelektroden von jeweils zwei Elektroden immer als Teilelektrodenpaare (11) beabstandet gegenüberliegen, wobei jeder Teilelektrode einer ersten Elektrode jeweils eine Teilelektrode einer zweiten Elektrode beabstandet gegenüberliegt.
  2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungen (7) der vernetzten Teilelektroden mit einer passivierenden Schicht (6) überzogen sind.
  3. Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich paarweise gegenüberliegenden Teilelektroden immer den gleichen Abstand aufweisen und/oder die Abstände der Teilelektrodenpaare in Längsrichtung des Sensorelements über die gesamte Länge des Sensorelements konstant sind und/oder die Anzahl der Teilelektrodenpaare pro Elektrodenpaar konstant ist.
  4. Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Teilelektrodenpaare in Längsrichtung im Bereich von 100 µm liegt.
  5. Sensorelement.nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Silizium, Glas oder Kunststoff gefertigt ist.
  6. Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus Platin, Iridium oder Gold gefertigt sind.
  7. Anordnung mit einem Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Vermessung einer Kapillarenfüllung, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement derart an einer Kapillare befestigt ist, dass sich die sensoraktiven Teilelektroden (5) innerhalb der Kapillare befinden und die elektrischen Anschlussmöglichkeiten sich außerhalb der Kapillare befinden und dass sich mindestens eine Leitfähigkeitsgrenze der Kapillarenfüllung im Bereich des Sensorelements befindet.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Leitfähigkeitsgrenzen von Arbeitsflüssigkeiten in der Kapillare eine Blase im Bereich des Sensorelements bilden, welche auf beiden Seiten von Arbeitsflüssigkeit eingegrenzt ist.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase gasgefüllt ist und/oder die Länge der Blase im Bereich der doppelten Ausdehnung eines Elektrodenpaares in Längsrichtung ist und/oder dass es sich auf beiden Seiten der Blase um dieselbe Arbeitsflüssigkeit handelt.
  10. Verfahren zur Messung von Flüssigkeitsständen mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung des Widerstandes jedes einzelnen Elektrodenpaares (8) im Ruhezustand der Arbeitsflüssigkeit und durch Vergleich der Widerstandswerte mit für die Flüssigkeitsbedeckung oder nicht Bedeckung charakteristischen Minimal-/ und Maximalwerten ermittelt wird, welche Elektrodenpaare von der Arbeitsflüssigkeit bedeckt sind und welche davon nicht bedeckt sind und daraus die Position der Leitfähigkeitsgrenze oder der Blase auf einem bestimmten Elektrodenpaar detektiert wird.
  11. Verfahren zur Messung von Flüssigkeitsständen mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Position einer Leitfähigkeitsgrenze innerhalb eines Elektrodenpaares (8), im Ruhezustand der Arbeitsflüssigkeit, durch Vergleich des zwischen dem Minimal-/ und Maximalwiderstandswert des Elektrodenpaares liegenden Zwischenwert mit einer Referenzwiderstandskurve des Elektrodenpaares ermittelt wird und so auf die Position der Leitfähigkeitsgrenze bei einem bestimmten Teilelektrodenpaar (11) geschlossen wird.
  12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass aus der detektierten Position der Blase oder der Leitfähigkeitsgrenze vor und nach einer Bewegung derselben die zurückgelegte wegstrecke ermittelt wird.
  13. Verfahren zur Messung von Flüssigkeitsständen mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch paralleles Überwachen der Widerstandswerte aller Elektrodenpaare (8) Sprünge der Widerstandswerte, bei Bewegung der Blase, detektiert werden und aus der Anzahl der Sprünge die von der Blase zurückgelegte Wegstrecke ermittelt wird.
  14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zurückgelegten Wegstrecke das transportierte Flüssigkeitsvolumen ermittelt wird.
  15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessung der Elektrodenpaare durch Messung des resultierenden Stromes nach Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden ermittelt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung eine Frequenz im Kiloherz-Bereich und/oder eine Amplitude im Bereich von 100 Millivolt aufweist.
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